專題2壓阻式固態(tài)傳感器

2023/2/51專題2壓阻式固態(tài)傳感器

2023/2/521.壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)(75到79頁）(1)壓阻效應(yīng)：半導(dǎo)體晶體承受機(jī)械力后其電阻值增加或減小的現(xiàn)象。本征半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)機(jī)理解釋：半導(dǎo)體承受機(jī)械力之后，晶格間隔改變引起其禁帶寬度變化導(dǎo)致電阻變化.壓阻式傳感器基于壓阻效應(yīng)，在半導(dǎo)體材料基片上經(jīng)擴(kuò)散電阻而制成。作為敏感元件的基片受外力作用而產(chǎn)生形變，使得在基片上擴(kuò)散的電阻組成的電橋產(chǎn)生不平衡輸出。測(cè)壓力和速度的固態(tài)硅壓阻式傳感器應(yīng)用最為普遍。2023/2/531）壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)(2)壓阻系數(shù)由半導(dǎo)體電阻理論可知，電阻率ρ的相對(duì)變化為

d/=L

L=L

EL:沿晶向L的壓阻系數(shù)(m2/N);L:沿晶向L的應(yīng)力(N/m2);E:半導(dǎo)體材料的彈性模量(N/m2);:軸向應(yīng)變。根據(jù)歐姆定律，半導(dǎo)體材料的電阻R因外力作用而發(fā)生的相對(duì)變化為:dR/R=d/+(1+2)dL/L令d/=，則上式可寫成

dR/R=+(1+2)dL/L=(E+1+2)=K

半導(dǎo)體材料的E比1+2大許多，1+2可忽略不計(jì)。

2023/2/544.2.2壓阻效應(yīng)與器件1）壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)(2)壓阻系數(shù)對(duì)半導(dǎo)體材料，E>>1+2，上式可寫為:R/R=/=

其中為壓阻系數(shù)、為應(yīng)力、為半導(dǎo)體材料的電阻率?？梢姡喊雽?dǎo)體材料的電阻變化率R/R主要由Δ/引起，也即由壓阻效應(yīng)產(chǎn)生。在彈性變形限度內(nèi)，硅的壓阻效應(yīng)可逆，因此除去應(yīng)力時(shí)，硅的電阻可恢復(fù)原數(shù)值。(3)影響壓阻系數(shù)的因素主要是半導(dǎo)體材料中擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度和所切割材料的晶向。擴(kuò)散雜質(zhì)表面濃度增加，壓阻系數(shù)減小。表面雜質(zhì)濃度低時(shí)，溫度增加，壓阻系數(shù)下降快；表面雜質(zhì)濃度高時(shí)，溫度增加，壓阻系數(shù)下降慢。2023/2/552）固態(tài)壓阻器件(1)器件的原理、結(jié)構(gòu)利用固體擴(kuò)散技術(shù)，把P型雜質(zhì)摻雜到N型硅底層上，形成一薄層導(dǎo)電P型層，安裝引線接點(diǎn)，就制成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。如圖所示，在圓形硅膜片上擴(kuò)散4個(gè)P型電阻，構(gòu)成惠斯通電橋的四臂，就得到通常的固態(tài)壓阻器件。1—N-Si膜片2—P-Si導(dǎo)電層3—黏結(jié)劑4—硅底座5—引壓管6—SiO2保護(hù)膜7—引線固態(tài)壓阻器件結(jié)構(gòu)圖2023/2/562）固態(tài)壓阻器件(2)測(cè)量橋路及其溫度補(bǔ)償

壓阻器件的阻值和靈敏度系數(shù)受溫度影響較大，溫度影響會(huì)產(chǎn)生零位溫度漂移和靈敏度系數(shù)溫度漂移，另外也明顯地受摻雜濃度、供橋電源和橋路等內(nèi)部及外部因素影響。

零位溫漂即電橋的零位電壓隨溫度的變化。對(duì)零位溫漂，一般采用在橋臂上串、并聯(lián)電阻進(jìn)行補(bǔ)償。

為減小溫度影響，壓阻器件一般用恒流源供電。如圖，若電橋中2個(gè)支路的電阻相等，即RABC=RADC=2(R+Rt)，則有

IABC=IADC=I/2因此，電橋的輸出可表示為Usc=UBD=I[(R+R+Rt)?(R?R+Rt)]/2=IR

2023/2/572）固態(tài)壓阻器件(2)測(cè)量橋路及其溫度補(bǔ)償（a）靈敏度溫度補(bǔ)償:一般采用在電源回路中串聯(lián)二極管的方法補(bǔ)償靈敏度溫漂。（b）零點(diǎn)溫度補(bǔ)償:零點(diǎn)溫漂是由于橋中4個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值及其溫度系數(shù)不一致所引起的。一般采用串、并聯(lián)電阻法補(bǔ)償，如圖所示，其中，并聯(lián)電阻主要起補(bǔ)償作用，串聯(lián)電阻主要起調(diào)零作用。2023/2/58壓阻式固態(tài)壓力傳感器

利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

2023/2/59壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片

隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。

2023/2/510壓阻式固態(tài)壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路2023/2/511小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器2023/2/512小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）呼吸、透析和注射泵設(shè)備中用的壓力傳感器p1進(jìn)氣管p2進(jìn)氣管固態(tài)壓力傳感器2023/2/513小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進(jìn)氣管2023/2/514投入式液位計(jì)

壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。

2023/2/515投入式液位計(jì)外形（續(xù)）

壓阻式固態(tài)壓力傳感器

光柱顯示器

橡膠背壓管

2023/2/516

投入式液位傳感器

投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測(cè)量。

2023/2/517投入式液位計(jì)液位的計(jì)算